Как работает акселерометр на айфон

Принципы разработки ПО для iPhone с использованием акселерометра

В статье рассмотрено принципы работы iPhone акселерометра, показаны примеры приложений, использующие акселерометр в качестве главного компонента, наведены рекомендации по использованию акселерометра. Также показано, как использовать акселерометр в веб-приложениях. Часть материалов была взята из статьи «Скроллинг при помощи акселерометра».

Что такое акселерометр?

Акселерометр (от лат. accelero — ускоряю и μετρέω — измеряю) — прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения. Кажущееся ускорение есть равнодействующая сил не гравитационной природы, действующая на массу и отнесённая к величине этой массы. Акселерометр может применяться как для измерения проекций абсолютного линейного ускорения, так и для косвенных измерений проекции гравитационного ускорения. Последнее свойство используется для создания инклинометров. Акселерометры входят в состав инерциальных навигационных систем, где полученные с их помощью измерения интегрируют, получая инерциальную скорость и координаты носителя. Электронные акселерометры часто встраиваются в мобильные устройства (в частности, в телефоны) и применяются в качестве шагомеров, датчиков для определения положения в пространстве, автоматического поворота дисплея и других целей. В игровых приставках акселерометры используются для управления без использования кнопок — путем поворотов в пространстве, встряхиваний и т. д.

Apple — не первая компания, которая внедрила акселерометр в мобильный телефон, но первая, у которой это получилось хорошо.

Как можно использовать акселерометр?

Перед тем, как перейти к технической части, посмотрим на готовые приложения, которые используют акселерометр.

Несколько базовых примеров:

C помощью iBeer можно попить виртуальное пиво:

iBoobs — программа, которая не прошла отдел цензуры в Apple.

Обзор других программ можно посмотреть по ссылкам внизу.

Немного теории

Датчик ускорения внутри iPhone использует три элемента: кремниевое тело, набор кремниевых пружин и электрический ток. Кремниевые пружины определяют положение кремниевого тела с помощью электрического тока. При повороте iPhone возникает колебание электрического тока, проходящего по кремниевым пружинам. Датчик ускорения фиксирует эти колебания и сообщает iPhone о необходимом изменении картинки на дисплее.

В состоянии покоя, когда устройство не двигается, величина замеряемого ускорения равна силе тяжести и принята за единицу. Соотношения величин проекций этой силы на оси координат дают нам углы поворота устройства в пространстве. Если iPhone находится в движении, то величину ускорения, с которым разгоняется аппарат, можно посредством дополнительных преобразований вычислить на основе значений проекций.

Заметьте, это именно ускорение, а не скорость движения устройства. То есть, если ваш iPhone начнет падать на землю, то проекции величины ускорения примут значение 0 по всем осям — ваш iPhone будет в невесомости 🙂 А если вы поднимаетесь с должным ускорением на лифте вверх, то значение силы тяжести на время ускорения увеличится.

Интерфейс акселерометра

Несколько фактов:

• является частью UIKit фреймворка
• предоставляет информацию по трем осям
• можно настроить частоту обновления данных (приблизительно 10-100 Гц)

Классы:

• UIAccelerometer
• UIAcceleration

Протокол:

Координатные оси

Сразу хочу заметить, что координаты X, Y, Z не показывают координаты (положение) устройства в пространстве, как это можно было бы предположить. На самом деле они означают следующее:

• координата X (Roll) показывает информацию о повороте устройства влево или вправо;
• координата Y (Pitch) дает нам следующую информацию: iPhone находится в вертикальном
  положении (-1), лежит в горизонтальной плоскости (0) или находится в
  вертикальном положении, только вверх ногами (+1);
• координата Z (Face up/face down) показывает, в каком положении находится устройство: лицом вверх (-1,
  при нулевых значениях по другим осям), в вертикальном положении (0) или
  лицом вниз (+1).

Координатные оси iPhone акселерометра

Для случая произвольной ориентации iPhone данные о величине ускорения распределяются по осям согласно проекции вектора ускорения.

Расчет вектора при произвольном положении iPhone

Подключаем акселерометр в проект

Всю необходимую информацию аккумулирует объект класса UIAcceleration, возвращающий данные по всем осям, а также временной маркер, позволяющий определить относительное время замера указанных
величин. Напрямую подступиться к данным этого класса нельзя, эту информацию можно получить только через делегат UIAccelerometerDelegate, предоставляющего для реализации один единственный метод
accelerometer:didAccelerate:, в который возвращается объект класса UIAcceleration. Назначение делегата и инициализация вызовов метода accelerometer:didAccelerate: происходит при помощи класса UIAccelerometer.

Для того, чтобы подключить акселерометр, необходимо в методе applicationDidFinishLaunching написать следующий код:

Метод setUpdateInterval устанавливать частоту обновления данных, kUpdateFrequency — коэффициент, который показывает, как часто нужно получать данные.

Например, в случае #define kUpdateFrequency 60.0 получим 60 «опросов» в секунду.

Кроме того, в заголовочном файле класса вашего делегата нужно указать протокол UIAccelerometerDelegate:

Логику обработки данных акселерометра нужно добавить в метод didAccelerate в классе делегата:

Замечания:

• можно объявлять лишь один делегат для приложения
• данные приходят асинхронно к основному потоку

Настройка акселерометра:

• Диапазон частоты — 10 -100 Гц.
• Рекомендуемая частота для игр: 30-60 Гц, для определения ориентации — 10-30 Гц.

Для остановки получения значений необходимо вызвать следующий код:

Угол наклона

Геометрически можно показать работу акселерометра следующим образом:

Из рисунка видно, что угол может быть рассчитан с помощью функции арктангенса, т.е.:

float angle = atan2(y, -x);

Положения акселерометра можно посмотреть на рисунке:

С помощью информации об угле поворота можно менять ориентацию экрана:

Скачать пример приложения можно здесь.

Пример 1. Прокрутка с помощью акселерометра

Возьмем за точку отсчета положение нашего устройства в пространстве, при котором угол между задней стенкой и землей составляет 45 градусов. В этом случае проекции силы тяжести на ось Y будет составлять -0.7. Если мы отклоняем аппарат чуть ближе к вертикальному положению, то примем, что при достижении угла в 30 градусов от вертикали мы должны перелистнуть список к концу. И наоборот, при достижении угла в 30 и менее градусов от горизонтального положения, мы должны перелистнуть список к началу.
В первом случае абсолютная величина проекции силы тяжести на ось Y, направленная вдоль аппарата, станет равна 0.86. Те, кто не понял откуда взялось это значение, вспоминаем геометрию и вычисление проекции на ось координат вектора единичной длины. Во втором случае это же значение равно 0.5. Для реализации прокрутки мы воспользуемся методом scrollToRowAtIndexPath:atScrollPosition:animated: класса UITableView.

Фильтры

В основном, используются два фильтра — высокочастотный (high-pass) и низкочастотный (low-pass). Эти фильтры можно использовать для отсеивания эффектов «дрожания»,
медленных поворотов и т.д.

Низкочастотный фильтр используется для нахождения ориентации устройства, высокочастотный — для определения тряски.

Самый простой низкочастотный фильтр реализует следующий код:

Самый простой высокочастотный фильтр реализует следующий код:

Пример 2. AccelerometrGraph

Отличная программа для исследования работы акселерометра — показывает изменение значений по трем координатам. Можно скачать с официального сайта Apple.

В обычном режиме отображает именно ту информацию, которую получает. Также можно использовать фильтры, которые будут отсекать обыкновенные повороты, а реагировать лишь на тряску (что, в основном, и бывает нужно в реальных приложениях).

Пример 3. iBells

iBells (ссылка на appstore) — это развлекательная программа, которая реагирует на дейсвия пользователя и проигрывает звуки колокольчиков.

Являясь разработчиков этой программы, нам нужно было решить такие задачи:

• корректное реагирование на действия пользователей, т.е. именно в тот момент когда пользователь трясет устройства;
• реализация минимальной задержки, в течении которой музыкальный файл не должен проигрываться (это нужно для того, чтобы исключить очень частые срабатывания).

Корректное реагирование на тряску можно добиться используя высокочастотный фильтр:

kFilteringFactor — коэффициент «заглушения» реакции на случайные колебания. Этот параметр нужно подбирать индивидуально в зависимости от требований.

Интервал измеряется просто:

Переменная lastPlayedTime фиксирует время последнего проигрывания, minTimeDelta — минимальный промежуток, по истечению которого можно проигрывать музыкальный файл.

Недавно я нашел еще один способ определить тряску:

Использование акселерометра в веб-приложениях

В Safari был добавлен новый метод onorientationchange, который срабатывает при изменении положения на 90%. Ниже приведен javascript код, с помощью которого можно менять положение (orientation) веб-страницы.

Примеры веб-страницы можно посмотреть здесь и здесь.

Акселерометр и симулятор

По понятным причинам тестировать приложения в симуляторе не представляется возможным. Для этого нужно использовать реальное устройство.

По ссылке можно посмотреть (а здесь скачать), как все таки можно передавать данные в симулятор. Но, так как там все равно используется реальное устройство, практической
пользы в этом нет. Just for fun.

Ссылки и дополнительные материалы

P. S. Автор статьи Александр Краковецкий (sashaeve), пожалуйста дайте ему инвайт спасибо Speakus за инвайт.

Источник

Принципы разработки ПО для iPhone с использованием акселерометра

В статье рассмотрено принципы работы iPhone акселерометра, показаны примеры приложений, использующие акселерометр в качестве главного компонента, наведены рекомендации по использованию акселерометра. Также показано, как использовать акселерометр в веб-приложениях. Часть материалов была взята из статьи «Скроллинг при помощи акселерометра».

Что такое акселерометр?

Акселерометр (от лат. accelero — ускоряю и μετρέω — измеряю) — прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения. Кажущееся ускорение есть равнодействующая сил не гравитационной природы, действующая на массу и отнесённая к величине этой массы. Акселерометр может применяться как для измерения проекций абсолютного линейного ускорения, так и для косвенных измерений проекции гравитационного ускорения. Последнее свойство используется для создания инклинометров. Акселерометры входят в состав инерциальных навигационных систем, где полученные с их помощью измерения интегрируют, получая инерциальную скорость и координаты носителя. Электронные акселерометры часто встраиваются в мобильные устройства (в частности, в телефоны) и применяются в качестве шагомеров, датчиков для определения положения в пространстве, автоматического поворота дисплея и других целей. В игровых приставках акселерометры используются для управления без использования кнопок — путем поворотов в пространстве, встряхиваний и т. д.

Apple — не первая компания, которая внедрила акселерометр в мобильный телефон, но первая, у которой это получилось хорошо.

Как можно использовать акселерометр?

Перед тем, как перейти к технической части, посмотрим на готовые приложения, которые используют акселерометр.

Несколько базовых примеров:

C помощью iBeer можно попить виртуальное пиво:

iBoobs — программа, которая не прошла отдел цензуры в Apple.

Обзор других программ можно посмотреть по ссылкам внизу.

Немного теории

Датчик ускорения внутри iPhone использует три элемента: кремниевое тело, набор кремниевых пружин и электрический ток. Кремниевые пружины определяют положение кремниевого тела с помощью электрического тока. При повороте iPhone возникает колебание электрического тока, проходящего по кремниевым пружинам. Датчик ускорения фиксирует эти колебания и сообщает iPhone о необходимом изменении картинки на дисплее.

В состоянии покоя, когда устройство не двигается, величина замеряемого ускорения равна силе тяжести и принята за единицу. Соотношения величин проекций этой силы на оси координат дают нам углы поворота устройства в пространстве. Если iPhone находится в движении, то величину ускорения, с которым разгоняется аппарат, можно посредством дополнительных преобразований вычислить на основе значений проекций.

Заметьте, это именно ускорение, а не скорость движения устройства. То есть, если ваш iPhone начнет падать на землю, то проекции величины ускорения примут значение 0 по всем осям — ваш iPhone будет в невесомости 🙂 А если вы поднимаетесь с должным ускорением на лифте вверх, то значение силы тяжести на время ускорения увеличится.

Интерфейс акселерометра

Несколько фактов:

• является частью UIKit фреймворка
• предоставляет информацию по трем осям
• можно настроить частоту обновления данных (приблизительно 10-100 Гц)

Классы:

• UIAccelerometer
• UIAcceleration

Протокол:

Координатные оси

Сразу хочу заметить, что координаты X, Y, Z не показывают координаты (положение) устройства в пространстве, как это можно было бы предположить. На самом деле они означают следующее:

• координата X (Roll) показывает информацию о повороте устройства влево или вправо;
• координата Y (Pitch) дает нам следующую информацию: iPhone находится в вертикальном
  положении (-1), лежит в горизонтальной плоскости (0) или находится в
  вертикальном положении, только вверх ногами (+1);
• координата Z (Face up/face down) показывает, в каком положении находится устройство: лицом вверх (-1,
  при нулевых значениях по другим осям), в вертикальном положении (0) или
  лицом вниз (+1).

Координатные оси iPhone акселерометра

Для случая произвольной ориентации iPhone данные о величине ускорения распределяются по осям согласно проекции вектора ускорения.

Расчет вектора при произвольном положении iPhone

Подключаем акселерометр в проект

Всю необходимую информацию аккумулирует объект класса UIAcceleration, возвращающий данные по всем осям, а также временной маркер, позволяющий определить относительное время замера указанных
величин. Напрямую подступиться к данным этого класса нельзя, эту информацию можно получить только через делегат UIAccelerometerDelegate, предоставляющего для реализации один единственный метод
accelerometer:didAccelerate:, в который возвращается объект класса UIAcceleration. Назначение делегата и инициализация вызовов метода accelerometer:didAccelerate: происходит при помощи класса UIAccelerometer.

Для того, чтобы подключить акселерометр, необходимо в методе applicationDidFinishLaunching написать следующий код:

Метод setUpdateInterval устанавливать частоту обновления данных, kUpdateFrequency — коэффициент, который показывает, как часто нужно получать данные.

Например, в случае #define kUpdateFrequency 60.0 получим 60 «опросов» в секунду.

Кроме того, в заголовочном файле класса вашего делегата нужно указать протокол UIAccelerometerDelegate:

Логику обработки данных акселерометра нужно добавить в метод didAccelerate в классе делегата:

Замечания:

• можно объявлять лишь один делегат для приложения
• данные приходят асинхронно к основному потоку

Настройка акселерометра:

• Диапазон частоты — 10 -100 Гц.
• Рекомендуемая частота для игр: 30-60 Гц, для определения ориентации — 10-30 Гц.

Для остановки получения значений необходимо вызвать следующий код:

Угол наклона

Геометрически можно показать работу акселерометра следующим образом:

Из рисунка видно, что угол может быть рассчитан с помощью функции арктангенса, т.е.:

float angle = atan2(y, -x);

Положения акселерометра можно посмотреть на рисунке:

С помощью информации об угле поворота можно менять ориентацию экрана:

Скачать пример приложения можно здесь.

Пример 1. Прокрутка с помощью акселерометра

Возьмем за точку отсчета положение нашего устройства в пространстве, при котором угол между задней стенкой и землей составляет 45 градусов. В этом случае проекции силы тяжести на ось Y будет составлять -0.7. Если мы отклоняем аппарат чуть ближе к вертикальному положению, то примем, что при достижении угла в 30 градусов от вертикали мы должны перелистнуть список к концу. И наоборот, при достижении угла в 30 и менее градусов от горизонтального положения, мы должны перелистнуть список к началу.
В первом случае абсолютная величина проекции силы тяжести на ось Y, направленная вдоль аппарата, станет равна 0.86. Те, кто не понял откуда взялось это значение, вспоминаем геометрию и вычисление проекции на ось координат вектора единичной длины. Во втором случае это же значение равно 0.5. Для реализации прокрутки мы воспользуемся методом scrollToRowAtIndexPath:atScrollPosition:animated: класса UITableView.

Фильтры

В основном, используются два фильтра — высокочастотный (high-pass) и низкочастотный (low-pass). Эти фильтры можно использовать для отсеивания эффектов «дрожания»,
медленных поворотов и т.д.

Низкочастотный фильтр используется для нахождения ориентации устройства, высокочастотный — для определения тряски.

Самый простой низкочастотный фильтр реализует следующий код:

Самый простой высокочастотный фильтр реализует следующий код:

Пример 2. AccelerometrGraph

Отличная программа для исследования работы акселерометра — показывает изменение значений по трем координатам. Можно скачать с официального сайта Apple.

В обычном режиме отображает именно ту информацию, которую получает. Также можно использовать фильтры, которые будут отсекать обыкновенные повороты, а реагировать лишь на тряску (что, в основном, и бывает нужно в реальных приложениях).

Пример 3. iBells

iBells (ссылка на appstore) — это развлекательная программа, которая реагирует на дейсвия пользователя и проигрывает звуки колокольчиков.

Являясь разработчиков этой программы, нам нужно было решить такие задачи:

• корректное реагирование на действия пользователей, т.е. именно в тот момент когда пользователь трясет устройства;
• реализация минимальной задержки, в течении которой музыкальный файл не должен проигрываться (это нужно для того, чтобы исключить очень частые срабатывания).

Корректное реагирование на тряску можно добиться используя высокочастотный фильтр:

kFilteringFactor — коэффициент «заглушения» реакции на случайные колебания. Этот параметр нужно подбирать индивидуально в зависимости от требований.

Интервал измеряется просто:

Переменная lastPlayedTime фиксирует время последнего проигрывания, minTimeDelta — минимальный промежуток, по истечению которого можно проигрывать музыкальный файл.

Недавно я нашел еще один способ определить тряску:

Использование акселерометра в веб-приложениях

В Safari был добавлен новый метод onorientationchange, который срабатывает при изменении положения на 90%. Ниже приведен javascript код, с помощью которого можно менять положение (orientation) веб-страницы.

Примеры веб-страницы можно посмотреть здесь и здесь.

Акселерометр и симулятор

По понятным причинам тестировать приложения в симуляторе не представляется возможным. Для этого нужно использовать реальное устройство.

По ссылке можно посмотреть (а здесь скачать), как все таки можно передавать данные в симулятор. Но, так как там все равно используется реальное устройство, практической
пользы в этом нет. Just for fun.

Ссылки и дополнительные материалы

P. S. Автор статьи Александр Краковецкий (sashaeve), пожалуйста дайте ему инвайт спасибо Speakus за инвайт.

Источник